GaN基異質(zhì)結及高電子遷移率晶體管的關鍵機理研究.pdf

1、GaN高電子遷移率晶體管HEMT)器件已表現(xiàn)出了出色的微波功率性能，但大量基礎性的機理問題仍沒有研究清楚。本文正是在此背景下對GaN基異質(zhì)結中量子化二維電子氣(2DEG)的載流子分布和遷移率、體電子的性質(zhì)、電子體系的溫度特性等問題進行了廣泛而深入的研究，對GaN基HEMT器件的二維仿真以及DC電流不穩(wěn)定性的表征和仿真等問題進行了探索。主要的研究工作和成果如下： 1.實現(xiàn)了對GaN基異質(zhì)結能帶和載流子分布的一維自洽模擬。

2、實現(xiàn)了一個數(shù)值求解自洽薛定諤——泊松方程模型的一維模擬器并應用于GaN基異質(zhì)結。在迭代求解算法中納入了在相關數(shù)值物理模型和數(shù)學求解策略方面已有的研究成果，形成新的求解策略；在對電子體系的考量方面，同時考慮了2DEG和體電子，與實際情形更接近；在選取邊界條件方面，對相關的一些基本的物理問題如GaN基異質(zhì)結中極化效應的屏蔽情形，泊松方程可能的邊界條件及各種邊界條件之間的等效性等作了深入的分析，同時對GaN基異質(zhì)結中表面態(tài)與2DEG電子來源的

3、關系提出了新的看法。 2.研究了GaN基異質(zhì)結的極化效應在各種結構中的作用。 研究并說明了AlGaN/GaN單異質(zhì)結中極化效應加深量子阱、提高2DEG面電子密度的作用，對于利用極化效應提高有效勢壘高度的GaNlAlGaN/GaN異質(zhì)結、能夠形成兩層2DEG的AIGaN/GaN/A1GaN/GaN結構、以及具有更強壓電極化效應的A1GaN/InGaN/GaN結構得到了結構參數(shù)對載流子和能帶分布的影響。對GaN基異質(zhì)結的極化

4、工程作了深入的分析和研究，具有新意。 3.結合實驗研究了GaN基異質(zhì)結霍爾電子濃度的溫度特性和AlN阻擋層插入AIGaN/GaN異質(zhì)界面的影響。 充分利用薛定諤——泊松模型能同時考慮電子體系中二維電子和體電子的特點，研究了GaN基異質(zhì)結中體電子的作用和整個電子體系的溫度特性，顯示了溫度升高時電子從2DEG向體電子的轉變。在計算霍爾電子濃度的溫度特性時，發(fā)現(xiàn)了2DEG在溫度升高時的退化，通過變溫C-V實驗測得的載流子密度剖

5、面圖，證明了這種退化現(xiàn)象確實存在。發(fā)現(xiàn)了具有較高密度2DEG的AIGaN/A1N/GaN異質(zhì)結在勢壘層摻雜濃度和溫度升高時也具有較純粹且穩(wěn)定的二維電導，這個結果是2DEG的量子性質(zhì)和極化效應結合表現(xiàn)出的更高層次的效應。這部分結果是本文的創(chuàng)新。 4.研究了GaN基異質(zhì)結中2DEG遷移率和電導隨結構參數(shù)的變化規(guī)律，揭示了其中各種機制的作用，以及應變弛豫的影響。 當AIGaN/GaN異質(zhì)結的勢壘層Al組分增大時，2DEG密度近

6、線性上升，遷移率總體上是下降的。要在較小的Al組分(相應的2DEG密度也較小)下使遷移率計算曲線呈現(xiàn)與測量數(shù)據(jù)一致的趨勢，必須考慮位錯密度隨著Al組分的變化，以減小位錯相關散射在較低2DEG密度下的影響。當A1GaN/GaN異質(zhì)結的勢壘層厚度增大時，2DEG密度上升隨后趨于飽和，遷移率總體上是下降的。2DEG電導隨Al組分以及勢壘層厚度變化的規(guī)律在低溫和室溫下不同，低溫下有峰值，而室溫時總體呈上升趨勢。勢壘層Al組分或厚度增大時出現(xiàn)的應

7、變弛豫對電導的作用是不利的，它對2DEG遷移率的影響主要是通過遷移率和密度的關系實現(xiàn)的。這部分結果及所反映的物理機理也是本文的創(chuàng)新。 5.成功實現(xiàn)了對GaN基HEMT的器件仿真。對GaN基HEMT器件的DC電流不穩(wěn)定性作了一些測量、觀察和分析，利用不同偏置下的漏極電流恢復瞬態(tài)和崩塌瞬態(tài)的時間常數(shù)變化說明了造成所觀察的瞬態(tài)的陷阱性質(zhì)為電子陷阱。以測得的漏極電流慢瞬態(tài)為仿真目標，利用ATLAS作了單純基于陷阱模型的仿真嘗試，成功之處

8、在于復現(xiàn)了虛柵行為的變化趨勢，不足之處在于未能仿真出強場對虛柵效應的顯著增強作用，仍需進一步建模。其中主要是對漏極電流慢瞬態(tài)的仿真和分析具有創(chuàng)新。 綜上所述，本文成功建立了GaN基異質(zhì)結能帶和載流子分布的一維自洽模擬平臺，研究和對比了不同結構GaN基HEMT器件的特性。在GaN基異質(zhì)結的極化工程和2DEG遷移率與結構參數(shù)的關系、異質(zhì)結中體電子的性質(zhì)、電子體系的溫度特性以及應變弛豫對2DEG電導的作用以及GaN基HEMT器件的漏極